אורביטל אטומי

אורביטל אטומי (פונקציית גל, כלל מתמטי שמתאר התנהגות דמוית גל) מייצג את ההסתברות למצוא אלקטרון באזור מסוים סביב גרעין האטום. אפשר לדמיין אותו כענן או גרף תלת־ממדי של המיקום הסביר של האלקטרון. המושג מתייחס הן לפונקציה המתמטית והן לחלל הפיזי שהיא מייצרת.

כל אורביטל מתואר על ידי שלושה מספרים קוונטיים: מספר קוונטי ראשי n (רמת אנרגיה), מספר קוונטי זוויתי l (קובע את סוג האורביטל) ומספר קוונטי מגנטי ml. בנוסף, לכל אלקטרון יש ספין (תכונה דמוית סיבוב), וכשמדברים על מילוי אורביטל מציינים גם את ספין האלקטרונים.

כל אורביטל יכול להכיל עד שני אלקטרונים עם ספינים מנוגדים. האורביטלים מחולקים לפי סוגים: s, p, d ו‑f, הסימון קשור לתנע הזוויתי של האלקטרון. s הוא אורביטל כדורי יחיד בכל רמה; p הוא בעל צורת שעון־חול ויש לו שלושה כיוונים (px, py, pz); d ו‑f הן צורות מורכבות יותר.

החלוקה לפי רמות אנרגיה אומרת שרמה n מכילה סוגים עד ל־l = n−1. מספר האורביטלים ברמה n הוא n2, ולכן היא יכולה להכיל עד 2n2 אלקטרונים (בעקבות עקרון האיסור של פאולי, שאומר ששני אלקטרונים לא יכולים להשתתף באותם ארבעת המספרים הקוונטיים בו־זמנית).

הוראות המילוי: אלקטרונים נוטים להתמקם ברמות האנרגיה הנמוכות ביותר קודם. בתוך אותה רמה, אם יש כמה אורביטלים זהים ריקים, אלקטרונים יתיישבו קודם באורביטלים ריקים לפני שהם מתחילים לזווג באותם האורביטלים (כלל זה דומה לחוק הונד, מילוי מקסימלי של אורביטלים חסרי־זוג).

דוגמה לכתיבה: 1s1 למימן, 1s2 להליום, וליתיום 1s2 2s1. במקום לפרט כל אורביטל p לפרטי‑פרטים כותבים 2p5 למשל.

הסימון כולל את מספר הרמה והאות של סוג האורביטל, ואחריו מספר האלקטרונים בכתיב עילי, למשל 3s2. רשימת כל האורביטלים נכתבת בסדר של רמות, ולכל רמה בסדר s, p, d, f.

הטבלה המחזורית מבוססת על דפוסי מילוי אלה. גזים אצילים (הטור ה‑18) הם דוגמה למצב יציב: קליפת הערך החיצונית שלהם מלאה (8 אלקטרונים ברוב המקרים, פרט להליום שנחשבת מלאה עם 2).

באטומים רבים האינטראקציה בין אלקטרונים גורמת לשינוי אנרגיות האורביטלים. אז אורביטלי s, p ו‑d ברמה אחת יכולים לקבל אנרגיות שונות ולהתפצל לתת-רמות. עקב כך סדר המילוי בפועל אינו תמיד תואם בדיוק לכתיבת הסימון. למשל, אורביטל 4s נפגש במילוי לפני 3d, ולכן ברישום שומרים על כללי הסדר למרות ש־3d יכול להיתפס בדרגת אנרגיה אחרת במצבים מסוימים.

התיאור של אורביטלים והצורך בפונקציית גל הובילו להתפתחות המכניקה הקוונטית. הבעיה שהניעה זאת הייתה שהאלקטרון במודל הקלאסי היה צריך לקרוס לגרעין בגלל פליטת קרינה, אך אטומים יציבים בפועל. בוהר קבע רמות אנרגיה מותאמות ובכך הראה שצריך לחשוב במושגים קוונטיים של מצבים בדידים.

אורביטלי s הם בצורת כדור. אורביטלי p כוללים שני חלקים דמויי שעון־חול. אורביטלים בעלי תנע זוויתי גבוה יותר מציגים צורות מורכבות יותר, לפי פונקציות שמתארות את הצורה המרחבית שלהם.

אורביטל אטומי (חלל שבו סביר למצוא אלקטרון) הוא כמו ענן סביב גרעין האטום. הוא מראה היכן רוב הסיכויים שהאלקטרון נמצא.

בכל אורביטל יכולים לחיות עד שני אלקטרונים. כל אחד מהם צריך להיות עם "ספין" שונה. ספין (תכונה דמוית סיבוב) מבדיל ביניהם.

יש סוגים של אורביטלים שנקראים s, p, d ו‑f. s נראה כמו כדור. p נראה כמו שתי בלונים מחוברים (שעון־חול). d ו‑f צורותיהם מורכבות יותר.

אלקטרונים מתאכלסים ברמות האנרגיה הנמוכות ביותר קודם. רמה נקראת גם קליפה. קליפה n יכולה להכיל הרבה אורביטלים, והיא יכולה להכיל עד מספר מסוים של אלקטרונים.

גזים אצילים הם יסודות שבהם הקליפה החיצונית מלאה. זה עושה אותם יציבים. בהליום הקליפה מלאה ב‑2 אלקטרונים.

אורביטל כותבים כמו 1s או 2p. אם יש בו שני אלקטרונים כותבים 1s2. כך כותבים את ההיערכות של יסודות פשוטים.

הבינו שאי־אפשר להסביר את הקיום של אורביטלים עם חוקי הפיזיקה הישנים. המחשבה הקוונטית הסבירה שהאלקטרון נמצא במצבים בדידים ולא במסלול רציף.

צורת האורביטל חשובה. s כדורי, p דמוי שעון־חול, וצורות גבוהות יותר מסובכות.